HCNA Routing&Switching之STP基礎
前文我們了解了VLAN動態註冊協議GVRP相關話題，回顧請參考//www.cnblogs.com/qiuhom-1874/p/15113770.html；今天我們來討論下二層環路和STP相關話題；
我們知道網路設備之間產生環路是很正常的，但為了通訊品質，通常我們也要避免環路；對於三層網路，產生環路並不是很嚴重，因為我們有動態的路由協議可以防止環路，當然即便管理員手動配置靜態路由形成環路，但最終數據包會停下來（因為三層ip協議有TTL欄位可以讓數據包最終停下來）；對於二層網路來說，一旦產生環路，那將是致命的（其原因是二層環路一旦產生，數據包在環路里停不下來），嚴重的話可以瞬間將整個二層網路的鏈路頻寬跑滿，從而導致整個網路不可用；所以二層環路我們無論如何都要避免；為了提高網路可靠性，通常情況交換網路中會使用冗餘鏈路，然而冗餘鏈路最最直接的後果就是給交換網路帶來環路的風險，並導致廣播風暴以及MAC地址表不穩定等問題，進而影響到用戶的通訊品質。為了解決二層環路所帶來的風險，stp協議誕生了；stp主要作用就是通過阻斷冗餘鏈路來消除網路中可能存在的環路，同時當活動鏈路發生故障時，激活冗餘鏈路及時恢復網路連通性，從而實現網路的可靠性；
二層網路設計需求和問題
提示：上圖是一個小型網路的拓撲圖，通常為了網路的可靠性，匯聚層，核心層都會放置兩個及兩個以上的交換機，並且兩兩相倆（主要作用就是做高可用檢測對方是否存活）；接入層上聯匯聚層會有至少兩條鏈路，這樣一來接入層的交換機就和匯聚層的交換機可能形成環路；比如上圖紅色和藍色鏈路就是環路；
二層環路問題—>廣播風暴
實驗：如下拓撲圖，我們用pc發送一個arp廣播，看看在二層環路里會發生什麼？
提示：默認情況華為的交換機是開啟了STP，為了演示出效果，我們需要先把各個交換機的STP關掉；
關掉各交換機的STP
命令：stp disable
提示：S2，S3，都是一樣的操作；
用pc ping同網段任意地址然後抓arp的包，看看會發生什麼？
提示：可以看到我們用pc發了5個icmp包，而我們在鏈路上瞬間抓到了幾千個arp包；這就是因為二層有環路產生，導致arp廣播一直在環路里打圈停不下來；要想讓裡面的數據包停下來，要麼在開啟任意一台設備的STP，或者斷掉任意一條鏈路，破壞環路；
在S2上開啟STP
提示：可以看到當我們在S2上開啟STP以後，對應數據包就停了下來；這裡需要注意這裡開啟STP是阻斷了ARP廣播數據一直在環路打轉，是因為初始化STP時會將對應埠阻塞掉；但是並不意味著環路就此被破壞了；一旦當STP穩定以後，還有數據包進來，數據包還會在環路里打轉；
驗證：現在用pc再次發送arp廣播，看看抓包是否還會抓到很多？
提示：可以看到現在pc發送一個arp廣播，在鏈路上還是會抓到很多arp廣播包，這說明開啟S2單台設備的STP並不能破壞環路；
開啟S1的STP，看看對應環路是否能被破壞呢？
現在再次用pc發送arp廣播，看看對應是否還會抓到很多arp包呢？
提示：可以看到現在用pc發送arp廣播，在鏈路上還是會有很多arp包，說明環路還是存在，並沒有被破壞；
開啟S3的STP，看看環路是否被破壞?
用pc發送arp廣播，看看是否還會抓到很多arp廣播包呢？
提示：可以看到當s3開啟STP以後，再次使用pc發送arp廣播，對應抓包就沒有像之前那樣幾百個arp包，說明環路被破壞了；從上述的實驗可以看到，一旦二層網路里發生環路，數據包是停不了的；我們只有認為手動破除環路，或者通過開啟STP破除環路；通常情況下所有設備都開啟STP才能真正有效的破環環路，所以二層網路里如果有不支援STP的交換機，我們在接線時一點要注意不要產生環路；
二層環路問題—>MAC地址表震蕩
還是上述實驗拓撲，我們把三個交換機的STP都關掉，然後用pc發送arp廣播，然後查看S1或S2或S3的mac地址表，看看對應mac地址表會有什麼變化？
用PC發送arp廣播
查看S1的mac地址表
提示：可以看到同一個MAC在S1上一會在1口學習到，一會在2口學習到；這是因為pc發送的arp廣播會從1口和2口泛洪出去，在S2和S3收到arp廣播以後，又會從對應的其他介面泛洪出去，這樣一來，從s1的1口泛洪出去的arp廣播，最終會從s1的2口收到；2口泛洪出去的arp廣播又會從1口收到，所以對於s1來說pc的mac就會一會從1口學習到，一會又從2口學習到；這樣一來s1的mac地址表就很不穩定；對於s2和s3也是同樣的現象；通過上述的實驗，我們可以看到二層環路一旦產生，就會有廣播風暴和mac地址震蕩；
STP：Spanning Tree Protocol，生成樹協議；主要通過構造「一棵樹」來消除交換網路中的環路；同時當活動鏈路發生故障，激活備份鏈路，從而實現網路的可靠性；
BPDU：Bridge Protocol Data Unit －橋協議數據單元，STP工作協議；
提示：STP通過各交換機發送的BPDU來完成根橋，根埠，指定埠和阻塞埠的選舉，從而實現破除環路；
BPDU數據包結構及各欄位解釋
提示：STP有三個模式，默認華為交換機使用的是mstp；我們可以通過stp mode stp更改stp模式為原生stp模式；對於STP來說，其bpdu結構如上；相信很多欄位都能看懂；這裡說一下bpdu的類型這個欄位（BPDU Type）和BPDU flag欄位；
在STP的BPDU中，BPDU的類型主要有兩種，一種是configuration，一種是TCN（Topology Change Notification）；configuration類型的BPDU主要用來選舉根交換機以及確定每個交換機埠的角色和狀態，在初始化STP過程中，每個交換機都會主動發送這種類型的BPDU；當網路拓撲穩定以後，只有根橋會主動發送這種類型的的BPDU，其他交換機在收到上游傳來的配置BPDU後，才會發送自己的配置BPDU。發送周期為Hello Time，默認是2秒發送一次；老化時間為Max Age，默認是20秒；TCN類型的BPDU，主要作用是當網路拓撲發生變化時，下游交換機向上游交換機發送拓撲變化通知；默認情況，在configuration類型的BPDU包里，BPDU flag欄位中，TCA和TC都是0，只有TCN以後，對應標誌為才會置為1；
提示：BID主要用來表示二層網路中的交換機，主要由兩部分組成，優先順序和mac地址；優先順序取值範圍為0-65535，步長4096，數字越低越優先；默認優先順序為32768；
提示：PID主要用來標識埠的，也是由優先順序和對應埠的編號組成（這個編號和埠名稱沒有直接的關係，默認都是一個順序編號），優先順序取值範圍為0-255，步長為16，數字越小越優先，默認值為128；
提示：路徑開銷用來描述鏈路優劣，數字越小表示鏈路開銷越低，即鏈路就越優；這個路徑開銷和鏈路頻寬有直接的關係；上述是98年標準和更早的標準；不同的鏈路對應開銷各不相同；
提示：根路徑開銷是指到達根橋的最短路徑的開銷；數字越小，表示鏈路越優；rpc的計算方式是沿途各鏈路pc總和；上圖中假設sw1為根橋，那麼sw2到達根橋的開銷就需要看對應鏈路是多大頻寬了，如果是100M根據98年標準，則開銷為19；那麼sw3到達sw1的開銷就為sw2到達sw1的路徑開銷+sw3到達sw3的路徑開銷；sw3到達sw2的鏈路頻寬為10M，所以對應的開銷為19，所以sw3到達sw1的開銷就為19+100=119；
附圖：各速率鏈路開銷標準
提示：華為默認使用802.1t標準；
